無線電能傳輸裝置設(shè)計報告樣本

無線電能傳播裝置設(shè)計報告摘要磁耦合諧振式無線電能傳播是眾多短距離電能特殊傳播技術(shù)之一，它因其便捷，節(jié)能環(huán)保而受到廣泛關(guān)注。當(dāng)前磁耦合諧振式無線電能傳播距離已經(jīng)可以達到米級范疇，甚至有些技術(shù)還能穿透障礙物，相信當(dāng)無線傳播距離問題解決后來該技術(shù)無疑對無線電能技術(shù)發(fā)展具備重大意義。該文重要講述了運用磁耦合諧振無限能量傳播原理設(shè)計制作小型無線電能傳播設(shè)備。該設(shè)備重要涉及驅(qū)動發(fā)射線圈電路，磁耦合諧振傳播電路，磁耦合諧振接受電路，整流濾波電路，以及顯示電路模塊等。當(dāng)發(fā)射和接受端都達到諧振頻率時即可實現(xiàn)能量最大傳播。該設(shè)備在題目規(guī)定下可實現(xiàn)10cm以上，效率高達26%能量傳播，并且可以實現(xiàn)點亮30cm以外2W燈泡。核心詞磁耦合諧振無線電能傳播發(fā)射距離接受效率一、設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作一種磁耦合諧振式無線電能傳播裝置，其構(gòu)造框圖如圖1所示。

規(guī)定：（1）保持發(fā)射線圈與接受線圈間距離x

=10cm、輸入直流電壓U1=15V時，調(diào)節(jié)負載使接受端輸出直流電流I2=0.5A，輸出直流電壓U2≥8

V，盡量提高該無線電能傳播裝置效率η。

（2）輸入直流電壓U1=15V，輸入直流電流不不不大于1A，接受端負載為2只串聯(lián)LED燈（白色、1W）。在保持LED燈不滅條件下，盡量延長發(fā)射線圈與接受線圈間距離x。二、

方案論證

2.1驅(qū)動發(fā)射線圈電路方案一：采用集成發(fā)射芯片XKT408和T5336搭建發(fā)射驅(qū)動電路。無線充電/供電主控制芯片XKT-408A，采用CMOS制程工藝，具備精度高穩(wěn)定性好等特點，其專門用于無線感應(yīng)智能充電、供電管理系統(tǒng)中，可靠性能高。XKT-408A芯片負責(zé)解決該系統(tǒng)中無線電能傳播功能，采用電磁能量轉(zhuǎn)換原理并配合接受某些做能量轉(zhuǎn)換及電路實時監(jiān)控。其重要特點為：

1.自動適應(yīng)供電電壓調(diào)節(jié)功能使之可以在較寬電壓下均能工作

2.自動頻率鎖定

3.

自動負檢測負載

4.

自動功率控制

5.高速能量輸電傳送

6.高效電磁能量轉(zhuǎn)換7.智能檢測系統(tǒng)，免調(diào)試方案二：采用MOS管無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，由兩路MOS管，高頻扼流圈和二極管構(gòu)成對稱振蕩器電路，原理圖如下所示：該方案電路簡樸明了，元器件少，并且操作起來簡樸。綜上所述，咱們選取方案二。2.2

磁耦合諧振傳播和接受電路

方案一：電磁感應(yīng)式傳播方式電能傳播電路基本特性是原邊與副邊電路分離，通過磁場耦合感應(yīng)聯(lián)系。該電路長處涉及存在較大氣隙，使得原副邊無電接觸，可實現(xiàn)無線傳播，較大氣隙存在使得系統(tǒng)構(gòu)成耦合關(guān)系屬于松耦合，使得漏磁與激磁相稱，甚至比激磁高。缺陷涉及傳播距離短，事實上多在mm級。電磁感應(yīng)方式傳播控制不好，在其范疇內(nèi)金屬都會產(chǎn)生電磁感應(yīng)消耗電源能量，此外還會使設(shè)備線路感應(yīng)發(fā)熱，嚴重時會損壞設(shè)備。方案二：諧振耦合方式該方案是由麻省理工學(xué)院物理系，電子工程，計算機科學(xué)系，以及軍事納米技術(shù)研究所得研究人員提出。系統(tǒng)采用兩個相似頻率諧振物體產(chǎn)生很強互相耦合，能量在兩物題間交互，運用線圈及放置兩端平板電容器共同構(gòu)成諧振電路，實現(xiàn)能量無線傳播。該方式長處涉及。運用磁場通過近場傳播，輻射小，具備方向性。中檔距離傳播，傳播效率高。能量傳播不受空間障礙物影響。傳播效果與頻率及天線尺寸密切。缺陷涉及諧振耦合方式安全實現(xiàn)問題比較嚴重，要想更好實現(xiàn)諧振耦合，需要傳播頻率在幾兆到幾百兆赫茲之間，而這一段頻率又是產(chǎn)生諧振最困難波段。

其原理圖如下所示：圖2-2

諧振耦合式電能傳播原理圖

方案三：無線電波式（輻射式）該方案類似于初期使用礦石收音機，重要由微波發(fā)射裝置和微波接受裝置構(gòu)成，接受電路可以捕獲到從墻壁彈回?zé)o線電波能量，在隨負載做出調(diào)節(jié)同步保持穩(wěn)定直流電壓。但其缺陷有微波無線能量傳播技術(shù)當(dāng)前尚處在研發(fā)階段，其技術(shù)長處是成本較低，技術(shù)瓶頸是效率太低，并且容易發(fā)熱，損壞設(shè)備。綜合本題目各項規(guī)定，規(guī)定功率傳播效率較高，同步距離要盡量較大，咱們選取方案二，諧振耦合方式進行信號和能量傳播。

2.3

整流濾波電路模塊

方案一：半波整流電路半波整流是指運用二極管單向?qū)щ娦赃M行整流，在輸入為原則正弦波狀況下，輸出獲得正弦波正半某些，負半某些則損失掉。其電路圖如下所示半波整流電路雖然達到了整流目，但是負載電壓及負載電流大小隨時間變化，并且半波整流是以犧牲普通交流為代價而換取整流效果，電流運用率很低。

方案二：橋式整流電路橋式整流是對二極管半波整流一種改進，橋式整流運用四個二極管兩兩對接，輸入正弦波正版某些得出正輸出；輸入正弦波負半某些時，另兩只管導(dǎo)通，由于這兩只管是反接，因此輸出還是得到正弦波正半某些。橋式整流器對輸入正弦波運用效率比半波整流高了一倍。因此咱們采用是橋式整流。其電路圖如下所示.

2.3

整流濾波電路模塊

方案一：半波整流電路半波整流是指運用二極管單向?qū)щ娦赃M行整流，在輸入為原則正弦波狀況下，輸出獲得正弦波正半某些，負半某些則損失掉。其電路圖如下所示圖2-3

半波整流電路圖半波整流電路雖然達到了整流目，但是負載電壓及負載電流大小隨時間變化，并且半波整流是以犧牲普通交流為代價而換取整流效果，電流運用率很低。方案二：橋式整流電路橋式整流是對二極管半波整流一種改進，橋式整流運用四個二極管兩兩對接，輸入正弦波正版某些得出正輸出；輸入正弦波負半某些時，另兩只管導(dǎo)通，由于這兩只管是反接，因此輸出還是得到正弦波正半某些。橋式整流器對輸入正弦波運用效率比半波整流高了一倍。因此咱們采用是橋式整流。其電路圖如下所示圖2-4：橋式整流電路圖

綜合題目分析，咱們選取橋式整流電路，來提高效率目。

2.4整流穩(wěn)壓模塊由于在接受過程中，會受到周邊環(huán)境影響，因此如果直接運用單片機AD

采集模塊進行數(shù)據(jù)采集，由于單片機采集數(shù)據(jù)速度較快，會使得顯示數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，有很很大漂移。因此咱們在接受端添加了整流穩(wěn)壓電路，本次比賽咱們采用線性可調(diào)穩(wěn)壓器LM317進行穩(wěn)壓，使得輸出電壓得以穩(wěn)定，便于顯示。2.5顯示控制模塊方案一：選用AT89C51控制12864顯示輸出電壓和電流，該方案有利之處該單片機使用相對成熟，網(wǎng)上有豐富關(guān)于該單片機資源，并且IO口操作簡樸，價格便宜等。但是如果這樣控制模塊就會顯得很龐大，并且IO口不多，功耗大。方案二：選用TI公司開發(fā)板msp430，該控制板執(zhí)行速度和效率相對較高，并且功耗低，解決能力強，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，但是控制起來相對復(fù)雜。在本次比賽中，咱們選用方案二。三．理論分析與計算：

3.1系統(tǒng)整體模塊

本系統(tǒng)整體采用磁耦合諧振式無線電能傳播，重要方案選用了兩個MOS管輪流導(dǎo)通，LC并聯(lián)諧振，將直流電能轉(zhuǎn)化成高頻電磁波發(fā)射出去，接受端與發(fā)射端諧振匹配，最大限度接受高頻電磁波，在通過后期整流穩(wěn)壓解決，通過單片機控制可以在12864液晶上顯示出來。圖3-1系統(tǒng)整體方案圖3.2

發(fā)射端諧振驅(qū)動電路

原理分析：圖中左半某些電位器R1實際是一種撥碼開關(guān)，當(dāng)開關(guān)合上時兩個MOS管都被上拉電阻驅(qū)動，但此時工作狀態(tài)是暫穩(wěn)態(tài)，并且在接通電源瞬間，兩個MOS并不是同步導(dǎo)通，總會有一種接通更快，另一種MOS管關(guān)閉。當(dāng)導(dǎo)通MOS管柵極電壓通過二極管驅(qū)動到零之后另一種MOS管被切斷，諧振回路電壓會上升，當(dāng)電壓上升到某點后促使導(dǎo)通二極管g極電壓突變?yōu)?，然后MOS管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，同步另一路MOS管開始工作。如此重復(fù)就形成交變電壓。此時高頻厄流電感充當(dāng)電流源，一旦通過它電壓變成了交流，從而使電路中產(chǎn)生狡辯磁場。此時，電路電流將被限制到一種恒定值。右半某些由電容和發(fā)射線圈構(gòu)成LC諧振電路，所謂磁耦合諧振式無限能量傳播就是運用兩個具備相似諧振頻率線圈在相距一定距離時，由于磁場耦合產(chǎn)生諧振，進行能量傳播。耦合效率決定了代數(shù)和，并且與施感電流呈線性關(guān)系，是各施感電流獨立產(chǎn)生磁通鏈疊加成果。設(shè)發(fā)射線圈和接受線圈電壓和電流分別為u1，i1和u2，i2，且都取關(guān)聯(lián)參照方向，互感為M，則兩耦合電感電壓電流關(guān)系為：耦合因數(shù)用k表達，有大小與兩個線圈構(gòu)造和互相位置以及周邊磁介質(zhì)關(guān)于。變化或調(diào)節(jié)她們互相位置有也許變化耦合因數(shù)大小。3.3

接受端諧振電路

3.3.1電路如下圖所示：圖3-3

接受端諧振回路由上述分析可知發(fā)射與接受電路諧振頻率是核心，另一方面就是發(fā)射與接受線圈品質(zhì)因數(shù)，品質(zhì)因數(shù)越高，能量損耗越小。需要注意是要考慮趨膚效應(yīng)，趨膚效應(yīng)本質(zhì)上是衰減電磁波向?qū)w內(nèi)傳播引起效應(yīng)，當(dāng)線圈固有頻率較高時，粗導(dǎo)線線圈會受到趨膚效應(yīng)影響而使導(dǎo)線運用率減少，因而必要考慮趨膚效應(yīng)對傳播距離影響。3.4重要元器件參數(shù)計算依照題目規(guī)定輸入電壓為15V，電流為1A左右，因此輸入功率會不不大于15W，在綜合考慮MOS管工作電壓和電流，此處咱們采用是IRF640，依照電路參整流二極管選用1N4148即可滿足，其她類似高速二極管也可滿足。高頻厄流電感采用是47uH,此處可依照電路做恰當(dāng)調(diào)節(jié)。發(fā)射線圈選用高品質(zhì)因數(shù)銅線繞成，這某些電路咱們是采用變化電容值來變化諧振頻率從而達到發(fā)射功率最大。同樣，接受端也是通過變化電容值來調(diào)節(jié)諧振頻率，從而與前級達到匹配。線圈電感值大小可通過下面公式來計算：

為獲得最大接受功率，接受端選用同樣參數(shù)線圈和電容。在整個實驗過程中，發(fā)射端與接受端電感與電容值選用是最重要，它們共同決定了傳播電磁波頻率，要想達到能量（功率）傳播，咱們應(yīng)當(dāng)選用電磁波頻率較低某些進行傳播，但是要想令電磁波傳播一定距離，則需要電磁波頻率達到較高某些進行傳播，因此本次實驗就需要咱們自己依照題目規(guī)定來選用適當(dāng)電磁波頻率即可。

圖3-4

穩(wěn)壓模塊原理圖1，2腳之間為1.25V電壓基準(zhǔn)。為保證穩(wěn)壓器輸出性能，R1應(yīng)不大于240歐姆。變化R2阻值即可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電壓值。D1，D2用于保護LM317。計算公式為：Uo=(1+R2/R1)*1.25四.測試成果與誤差分析：

4.1

硬件測試

通過上述理論分析與計算，按照設(shè)計出原理圖進行硬件焊接，并對電路進行一系列調(diào)試。上電測試，運用直流穩(wěn)壓電源輸出15V，加到發(fā)送端上，剛上電時，由于咱們沒故意識到，要想讓自激式振蕩電路起振，必要讓電源同步瞬時加到電路中，才干讓電路正常工作，膽怯電路一瞬間加太大電壓會引起瞬間大電流脈沖，燒壞MOS管，加電時直接接上電源較低電壓，再慢慢往上升，可是，MOS管總會浮現(xiàn)一種管子很熱，另一種不工作狀態(tài)。日后通過測試，總結(jié)，咱們決定在MOS管前加一種撥碼開關(guān)，來控制這個自激振蕩電路可以起振，正常工作。在通過這個改正后咱們將輸出接在示波器上觀測振蕩波形。并通過LC諧振網(wǎng)絡(luò)預(yù)計其振蕩頻率與實際輸出波形振蕩頻率相比較，發(fā)現(xiàn)兩者基本相近。

但是要想達到題目所給規(guī)定，必要滿足傳播效率要較高，因此要達到發(fā)射與接受匹配，在本次比賽中，咱們?yōu)榱艘_到匹配，咱們令發(fā)射某些與接受某些采用相似材質(zhì)漆包線繞制20cm直徑發(fā)射接受線圈，為了達到題目對接受端電壓，電流，功率規(guī)定，咱們通過多次繞制，按照一定順序，改進這電感值和品質(zhì)因數(shù)，用1mm漆包線繞制10圈，用1mm漆包線繞制5圈，用1mm漆包線兩匝并饒繞制2圈等各種線圈。最后，咱們發(fā)現(xiàn)用無氧銅2mm漆包線繞制20cm直徑發(fā)射接受線圈，且用兩股并繞兩圈方式（此時其電感量經(jīng)測量大概在2uH—3uH之間，品質(zhì)因數(shù)在3左右），可以達到較好效果。但是在之前分析中咱們懂得，要想讓振蕩電路發(fā)射端發(fā)射功率達到最大，咱們需要將諧振頻率，調(diào)諧在電路固有頻率上，通過多次變化與線圈并聯(lián)電容值，咱們最后得到了發(fā)射端諧振頻率與自激振蕩固有頻率，與接受端諧振頻率基本諧振在同一種諧振頻率上，使得接受端接受得到較平滑正弦波，幅度也較大，滿足題目規(guī)定，通過整流后，在滑動變阻器做負載狀況下，可得到超過8V電壓，電流基本可達到0.5V，滿足題目（1）規(guī)定。同步當(dāng)負載換成兩個串聯(lián)1W

LED燈時候，距離可達到35cm左右距離，滿足題目（2）規(guī)定。4.3實物照片整體電路實物圖：發(fā)射接受線圈：直流穩(wěn)壓模塊：整流模塊：五、結(jié)論、心得體會通過幾十天日夜奮斗，小構(gòu)成員互相協(xié)作，團結(jié)互助，完畢了